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        不可逆鋁冷軋機(jī)自動停車的設(shè)計和實現(xiàn)

        2014-05-11 03:10:06張宏展毛永志
        制造業(yè)自動化 2014年10期
        關(guān)鍵詞:冷軋機(jī)板形帶材

        樊 銳,張宏展,毛永志

        (1. 涿神有色金屬加工專用設(shè)備有限公司,河北 072750;2.北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所,北京 100120)

        不可逆鋁冷軋機(jī)自動停車的設(shè)計和實現(xiàn)

        樊 銳1,張宏展2,毛永志2

        (1. 涿神有色金屬加工專用設(shè)備有限公司,河北 072750;2.北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所,北京 100120)

        0 引言

        不可逆鋁冷軋機(jī)是鋁加工過程中的一個重要環(huán)節(jié),該過程將鋁熱軋機(jī)或鋁鑄軋機(jī)生產(chǎn)的厚帶材鋁卷經(jīng)過幾個道次的軋制,對帶材的板形和厚度進(jìn)行精確控制,生產(chǎn)出符合用戶要求的相關(guān)規(guī)格薄帶材鋁卷,提供給鋁箔粗軋機(jī)或厚剪機(jī)等設(shè)備,以對鋁材進(jìn)行進(jìn)一步精加工。

        不可逆鋁冷軋機(jī)來料尤其是開坯料的料頭和料尾通常板形較差、厚差較大,在軋制時不易控制帶材的板形和厚度,容易造成斷帶甚至損壞設(shè)備,為了軋制出合格的產(chǎn)品以及保護(hù)設(shè)備,需要去除來料的料頭和料尾。來料的料頭可以在軋制開始前切除,料尾則需要在軋制過程中及時停車以便切除,即通常所說的甩尾,這時候就需要準(zhǔn)確判斷停車時機(jī),使設(shè)備在生產(chǎn)過程中能夠自動減速停車,根據(jù)生產(chǎn)需要剩余下質(zhì)量不好的料尾,避免剩余卷材過多降低生產(chǎn)效率、造成浪費或剩余卷材過少甚至尾料全部沖過軋機(jī)造成設(shè)備損壞甚至起火等事故。

        1 自動停車部分的設(shè)備基本組成及其工作原理

        不可逆鋁冷軋機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

        機(jī)列工作過程描述:將要軋制的鋁卷來料經(jīng)過開卷機(jī)開卷,經(jīng)由入側(cè)偏導(dǎo)輥、入側(cè)張緊輥組的導(dǎo)向和展平,通過工作輥進(jìn)行軋制,在軋制中通過板形和厚度控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制帶材的板形和厚度,以成為符合相關(guān)規(guī)格的鋁材,再經(jīng)過出側(cè)包角輥后,到達(dá)卷取機(jī)上卷取,從而生產(chǎn)出符合用戶要求的鋁卷。

        1.1 不可逆鋁冷軋機(jī)的設(shè)備基本組成

        1)開卷機(jī):用于對鋁卷來料進(jìn)行開卷,及對開卷進(jìn)行張力控制等。

        2)開卷激光卷徑測量:該激光測距裝置安裝在開卷機(jī)與主機(jī)之間的入側(cè)裝置上,利用激光測得的距離計算得到開卷卷材的卷徑大小,用于開卷張力控制和開卷自動減速停車等。

        圖1 不可逆鋁冷軋機(jī)整體結(jié)構(gòu)示意圖

        3)入側(cè)偏導(dǎo)輥:主要對帶材起導(dǎo)向作用。

        4)入側(cè)張緊輥組:主要對帶材起導(dǎo)向和展平作用。

        5)主機(jī)部分:主機(jī)部分是軋機(jī)的主體,主要由支承輥、工作輥、壓上缸、噴桿梁和牌坊等組成,用于對帶材進(jìn)行軋制,控制軋機(jī)的軋制速度,并根據(jù)板形控制系統(tǒng)和厚度控制系統(tǒng)發(fā)出的指令對帶材的板形和厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        (1)上支承輥:用于支撐工作輥。

        (2)上工作輥:與下工作輥一起用于軋制帶材。

        (3)下工作輥:與上工作輥一起用于軋制帶材。

        (4)下支承輥:用于支撐工作輥。

        (5)噴桿梁:用于冷卻和潤滑工作輥,通過噴淋改變輥形進(jìn)而調(diào)節(jié)帶材板形。

        (6)壓上缸:用于調(diào)節(jié)軋制力,通過改變軋制力或輥縫大小對帶材厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

        (7)牌坊:用于安裝主機(jī)部分的各種設(shè)備。

        6)出口測厚儀:用于檢測軋機(jī)出口帶材厚度,屬于軋機(jī)厚度控制系統(tǒng)的一部分,反饋的信號參與厚度自動控制。

        7)板形輥:用于檢測軋機(jī)出口帶材板形,屬于軋機(jī)板形控制系統(tǒng)的一部分,檢測的結(jié)果用于對板形的自動控制。

        8)包角輥:用于使帶材對板型輥形成固定包角。

        9)卷取激光卷徑測量:該激光測距裝置安裝在卷取機(jī)與主機(jī)之間的出側(cè)裝置上,工作原理與開卷激光卷徑測量一樣,用于卷取張力控制。

        10)卷取機(jī):用于對軋制完畢的鋁材進(jìn)行卷取,及對卷取進(jìn)行張力控制等。

        1.2 開卷卷徑測量裝置的基本組成及工作原理

        開卷卷徑測量裝置主要由激光測距裝置組成,檢測的結(jié)果通過計算得到開卷卷材的直徑,用于開卷張力控制和開卷自動減速停車等,其結(jié)構(gòu)如圖2中所示。

        1)開卷機(jī)上的卷材。

        2)激光測距儀:1.1中已經(jīng)提到過此裝置,激光測距儀在安裝時要對準(zhǔn)開卷卷材中心,以確保檢測的準(zhǔn)確。

        其中D為開卷卷材直徑,D0為開卷卷材套筒的直徑,L0為激光測距儀到開卷卷材套筒的距離,L為激光測距儀到開卷卷材的距離。D0為已知的套筒直徑,L0在調(diào)試過程中已經(jīng)測出,通過檢測激光測距儀到鋁卷的實時距離L,計算得到開卷卷材的卷徑大小D=2(L0-L)+D0。

        2 不可逆鋁冷軋機(jī)自動減速停車功能實現(xiàn)的原理

        圖2 開卷卷材卷徑測量裝置示意圖

        軋機(jī)自動減速停車的過程是:首先,操作人員對需要甩尾的殘料進(jìn)行設(shè)定(如設(shè)定殘料的卷徑或壁厚等),激活“自動減速停車”使能按鈕。然后,通過程序判斷開卷卷材何時到達(dá)相關(guān)設(shè)定,軋機(jī)自動切換到“穿帶”模式,開始降速。隨后,軋機(jī)進(jìn)入自動勻減速階段,在此過程中操作人員可以手動切換軋機(jī)的運轉(zhuǎn)模式,此時自動減速停車模式自動終止;如不中止自動模式,則軋機(jī)持續(xù)降速。最后,軋機(jī)達(dá)到穿帶速度(10~30m/min可調(diào)),此時若無其他操作,則軋機(jī)自動切換到“停止”模式直至軋機(jī)停止,軋機(jī)自動減速停車結(jié)束,軋機(jī)自動減速停車功能實現(xiàn)的關(guān)鍵是判斷軋機(jī)何時開始減速停車。

        2.1 軋機(jī)減速過程中帶材行走的長度

        首先,我們需要知道軋機(jī)從開始減速停車到完全停止下來的過程中開卷機(jī)鋁帶材行走的長度。當(dāng)軋機(jī)減速時不進(jìn)行其他操作則此減速過程是勻減速,示意圖如圖3所示。

        圖3 不可逆鋁冷軋機(jī)減速過程示意圖

        根據(jù)公式有:

        其中L為鋁帶材行走的長度,Vt為開始減速停車時刻的開卷機(jī)線速度,Vt1為開始減速停車時刻的主機(jī)線速度,Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度,tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時間(tmax=tmax1),Δt為軋機(jī)從當(dāng)前速度減速到停止所需要的時間。

        式(2)代入式(1)可以計算出軋機(jī)勻減速過程中開卷機(jī)鋁帶材行走的長度,即軋機(jī)開始自動減速停車后到軋機(jī)停止時開卷機(jī)鋁帶材行走的長度。

        2.2 開卷機(jī)殘料設(shè)定的4種方法及其應(yīng)用分析

        因為開卷機(jī)卷材的直徑是通過實時檢測得到的,所以只要判斷出在開卷機(jī)卷材直徑達(dá)到多少時開始減速,在軋機(jī)停下來時開卷機(jī)卷材剩余量符合設(shè)定要求即可。為了方便操作人員的操作,我們設(shè)計四種對開卷機(jī)需要甩尾殘料的設(shè)定方法:1)設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材半徑(直徑);2)設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材壁厚;3)設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材長度;4)設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材圈數(shù)。下面針對軋機(jī)的運行特點對自動減速停車進(jìn)行分析。

        2.2.1 設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材半徑(直徑)

        根據(jù)面積公式,如圖4所示。

        圖4 卷材示意圖

        圖5 帶材展開示意圖

        如果將卷材展開,如圖5所示。

        其中S為面積,R為開卷卷材當(dāng)前半徑,r為設(shè)定的停車卷材半徑,hr為軋機(jī)入口卷材厚度,L1為卷材長度。

        假設(shè)將鋁材展平,考慮到鋁卷材的空隙率,則有:

        其中λ為修正系數(shù)。

        式(4)和式(5)代入式(6)中,可以得到卷材展開后的長度,也就是從當(dāng)前卷徑到設(shè)定卷徑的卷材展開長度。

        當(dāng)2.1中式(3)中L與L1相等時軋機(jī)應(yīng)該開始自動減速停車,結(jié)合式(3)和式(7)計算得到:

        式(8)中R為開卷卷材當(dāng)前半徑,r為操作人員設(shè)定的需要剩余的殘料半徑,hr為軋機(jī)入口卷材厚度,Vt為開始減速停車時刻的開卷機(jī)線速度,Vt1為開始減速停車時刻的主機(jī)線速度,Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度,tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時間,λ為修正系數(shù)。

        2.2.2 設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材壁厚

        設(shè)定開卷機(jī)卷材殘料壁厚為Δh,則有剩余卷材半徑:

        結(jié)合2.2.1的推導(dǎo),得到開卷機(jī)卷材從當(dāng)前半徑R到剩余卷材半徑r的剩余帶材總長度:

        當(dāng)L=L2時軋機(jī)應(yīng)該開始自動減速停車,結(jié)合式(3)和式(10)得到:

        式(11)中R為開卷卷材當(dāng)前半徑,r0為開卷套筒半徑,Δh為操作人員設(shè)定的需要剩余的殘料壁厚,hr為軋機(jī)入口卷材厚度,Vt為開始減速停車時刻的開卷機(jī)線速度, Vt1為開始減速停車時刻的主機(jī)線速度,Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度,tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時間,λ為修正系數(shù)。

        2.2.3 設(shè)定開卷機(jī)剩余卷材的帶材長度

        根據(jù)設(shè)定開卷機(jī)卷材殘料長度為L3,則從自動停車開始時刻開卷卷材的展開長度為:

        根據(jù)2.2.1的推導(dǎo),可知:

        當(dāng)L=L3時軋機(jī)應(yīng)該開始自動減速停車,即:

        式(13)中R為開卷卷材當(dāng)前半徑,r0為開卷套筒半徑,L3為操作人員設(shè)定的需要剩余的殘料帶材長度,hr為軋機(jī)入口卷材厚度,Vt為開始減速停車時刻的開卷機(jī)線速度, Vt1為開始減速停車時刻的主機(jī)線速度,Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度,tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時間,λ為修正系數(shù)。

        2.2.4 設(shè)定開卷機(jī)卷材殘料圈數(shù)時帶材的剩余長度

        開卷套筒上每增加1層鋁材,則其卷材半徑會相應(yīng)增加1層鋁材的厚度,因此當(dāng)設(shè)定開卷機(jī)卷材殘料的剩余圈數(shù)n時,卷材上的帶材長度可以確定,即:

        其中Ln為設(shè)定卷材殘料圈數(shù)時帶材的剩余長度,n為設(shè)定的卷材剩余圈數(shù),r0為開卷套筒半徑,hr為來料厚度。

        當(dāng)Ly=L+L4時軋機(jī)應(yīng)該開始自動減速停車,結(jié)合式(3)和式(15)得到:

        式(16)中R為開卷卷材當(dāng)前半徑,r0為開卷套筒半徑,n為操作人員設(shè)定的卷材剩余圈數(shù),hr為軋機(jī)入口卷材厚度,Vt為開始減速停車時刻的開卷機(jī)線速度, Vt1為開始減速停車時刻的主機(jī)線速度,Vmax1為軋機(jī)最高機(jī)列速度,tmax1為軋機(jī)從最高速停車所需的時間,λ為修正系數(shù)。

        2.2.5 開卷機(jī)殘料4種設(shè)定方法的應(yīng)用

        通過對上述4種開卷機(jī)殘料的方法進(jìn)行分析,我們可以得知,要實現(xiàn)準(zhǔn)確的軋機(jī)自動減速停車,我們需要監(jiān)控軋機(jī)的運行狀態(tài),準(zhǔn)確獲知諸如主機(jī)速度、開卷機(jī)速度和開卷卷材卷徑等。操作人員需要做的僅是選擇殘料的設(shè)定方式,然后輸入卷材的相關(guān)信息。

        3 自動減速停車的實現(xiàn)

        從電氣控制方面來講,自動減速停車需要電氣硬件組態(tài)和軟件編程兩個方面來完成,結(jié)合一個我們已經(jīng)調(diào)試完成的項目,提供實現(xiàn)方案如下。

        3.1 硬件組態(tài)

        1)激光測距儀:如前所訴,要想實現(xiàn)自動減速停車,我們需要一個能夠準(zhǔn)確測量開卷卷材卷徑的裝置,用于提供準(zhǔn)確的開卷卷材直徑。激光測距儀性能穩(wěn)定、抗干擾性強(qiáng)、檢測精度高,能夠保證卷徑測量的準(zhǔn)確性。

        圖6 系統(tǒng)配置圖

        2)PLC:選用SIMENS-400系列,具體組態(tài)見圖6。

        3)CPU:選用S7-400,414-3DP,用于完成PLC程序的執(zhí)行,過程數(shù)據(jù)的計算和對設(shè)備進(jìn)行控制。

        4)模擬量輸入模板:安裝于PLC遠(yuǎn)程機(jī)架上,用于接收激光測距儀檢測的數(shù)據(jù)。

        5)傳動裝置:用于控制電機(jī)的運轉(zhuǎn),本例選擇的是ABB直流傳動裝置。

        6)編碼器:監(jiān)控電機(jī)速度,同時用于配合傳動裝置控制電機(jī)。

        通過以上硬件配置,即可滿足自動減速停車電氣控制的需要。

        3.2 軟件實現(xiàn)

        我們利用SIEMENS Step7 V5.4軟件,通過對上述4中自動減速停車的設(shè)計方法進(jìn)行編程,即可實現(xiàn)不可逆鋁冷軋機(jī)的自動減速停車控制。

        4 結(jié)束語

        自動減速停車是不可逆鋁冷軋機(jī)的一個重要功能,如何準(zhǔn)確判斷減速停車的時機(jī),使開卷卷材剩余的殘料正好為設(shè)定值,是自動減速停車的關(guān)鍵。此種自動停車功能已在我們調(diào)試完成的多臺設(shè)備上投入使用,同時此經(jīng)驗可推廣到其他鋁加工設(shè)備上使用。生產(chǎn)實踐證明此功能設(shè)計合理,操作簡單方便,系統(tǒng)運行良好,提高了生產(chǎn)效率。

        [1]趙剛,楊永利.軋制過程的計算機(jī)控制系統(tǒng)[M].冶金工業(yè)出版社,2002.

        [2]丁修堏.軋制過程自動化[M].冶金工業(yè)出版社,2005.

        [3]黃慶學(xué),梁愛生.高精度軋制技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社,2002.

        Design and implementation of automatic stopping in irreversible aluminum cold rolling mill

        FAN Rui1, ZHANG Hong-zhan2, MAO Yong-zhi2

        針對不可逆鋁冷軋機(jī)自動停車功能的實現(xiàn)提出了設(shè)計方案,闡述其設(shè)計思想和原理,并針對4種殘料設(shè)定方法分別進(jìn)行了設(shè)計計算,給出實現(xiàn)其控制的軟硬件配置,為自動停車功能的實現(xiàn)提供了完整的設(shè)計思路和實現(xiàn)方案。

        自動減速停車;不可逆鋁冷軋機(jī);PLC

        樊銳(1980 -),男,工程師,本科,主要從事鋁加工設(shè)備電控系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試工作。

        TH161

        A

        1009-0134(2014)05(下)-0133-04

        10.3969/j.issn.1009-0134.2014.05(下).38

        2013-11-25

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